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1、第一章 绪论,人们一直寻求快速远距离的通信手段, 1.1 无线电通信的基本原理,烽火、旗语,电报 （1837 Morse） 电话 （1876 Bell）,电磁波的存在,Maxwell 理论,Hertz 实践,三个里程碑： Lee de forest 发明电子三极管 W. Shockley 发明晶体三极管 集成电路、数字电路的出现,无线电信号传输原理框图,信号源,发送设备,传输信道,接收设备,收信装置,调幅发射机原理方框图,超外差式接收机方框图,图11 无线通信系统的基本组成,信源,信源,信宿,超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大；当信号频率改变时, 只要
2、相应地改变本地振荡信号频率即可。 优点：由于中频比载频低的多，对选频网络的Q值要求低的多，容易实现高增益。 不足：由于存在混频，因而存在频率组合干扰，且抑制干扰比较麻烦。 数字中频结构：将混频后的中频信号正交数字化，然后进行数字解调。 直接变换结构：采用零中频，如图1-2所示。,二、无线通信系统的类型 按照无线通信系统中关键部分的不同特性, 有以下一些类型: 1、按照工作频段或传输手段分类, 有中波通信、 短波通信、 超短波通信、 微波通信和卫星通信等。 所谓工作频率, 主要指发射与接收的射频（RF）频率。 射频实际上就是“高频”的广义语, 它是指适合无线电发射和传播的频率。 无线通信的一个发
3、展方向就是开辟更高的频段。 2、按照通信方式来分类, 主要有（全）双工、 半双工和单工方式。 3、按照调制方式的不同来划分, 有调幅、 调频、 调相以及混合调制等。,4、按照传送的消息的类型分类, 有模拟通信和数字通信, 也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。 各种不同类型的通信系统, 其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同。但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的, 遵从同样的规律。 本书将以模拟通信为重点来研究这些基本电路, 认识其规律。 这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统。,数字通信系统,传输数字信号的通信系统称为数字通信系统，其原理框图如下图所示：,模拟
4、信号经信源编码和信道编码变成数 字基带信号，发射机将基带信号调制到 高频载波上经信道传输到接收端，接收 机还原出数字基带信号，经信道解码和 信源解码还原出模拟基带信号。用数字 基带信号对高频正弦载波进行的调制称 数字调制。根据基带信号控制载波的参 数不同，数字调制通常分为与振幅键控 调制，频率键控和相位键控三种基本方 式。,振幅键控（Amplitude-shift keying） (ASK) 载波振幅受基带控制,相位键控（phase-shift keying） (PSK) 载波相位受基带信号控制，当基带信号p(t) = 1时，载波起始相位为0，当p(t) = 0时载波起始相位为,数字通信系统,
5、频率键控：（Frequency-shift keying） (FSK) 载波频率受基带信号控制，当p(t) = 1时，载波频率为f1；当p(t) = 1时，载波频率为f2，其波形如右图所示：,数字通信的主要优点： (1) 有较强的抗干扰能力，通过再生中继技术可以消除噪声的积累，并能对信号传输中因干扰而产生的差错及时发现和纠正，从而提高了信息传输的可靠性。 (2) 数字信号便于保密处理，易于实现保密通信。 (3) 数字信号便于计算机进行处理，使通信系统更加通用和灵活。 (4) 数字电路易于大规模集成，便于设备的微型化,数字通信的缺点： 数字信号占据频带较宽，频带利用率低，但目前采用了一些新的数字
6、调制技术，不断增大通信容量，提高频率利用率，所以数字通信的发展前景广阔。,现代通信系统,70年代以前，通信系统主要是模拟体制，接收机如前介绍的超外差接收机，7080年代无线电通信实现了模拟数字的大转变，从系统控制（选台调谐、音量控制，均衡控制等）到信源编码、信道编码，以及硬件实现技术都无一例外地实现了数字化。现代超外差接收机可用下图来表示，它是一个模拟与数字的混合系统。,软件无线电,进入90年代后，通信界开始了一场新的无线电革命，即从数字化走向了软件化，软件无线电技术（software Radio）应运而生。支持这场革命的是多种技术的综合，包括多频段天线和 RF变换宽带A/D/A转换，完成IF
7、、基带、比特流处理功能的通用可编程处理器等。软件无线电最初目的是满足军用通信中不同频段，不同信道调制方式和数据方式的各类电台之间的联网需要，因为它可以很容易地解决各种接口标准之间的兼容问题，使得它的优越性很快得到商用通信的青睐，并且在个人移动通信领域发展迅速。软件无线电是特指具有用软件实现各种功能特点的无线电台（如移动通信中的移动电话机、基站电台、军用电台等），它主要由低成本、高性能的DSP芯片组成。规范的软件无线电典型结构如下图所示。,软件无线电的标志： 1. 无线通信功能是由软件定义并完成的，这种完全的可编程能力包括可编程的射频波段、信道接入方式、信道调制方式与纠错算法等，软件无线电区别于
8、软件控制的数字无线电。 2. 在尽可能靠近天线的地方使用A/D/A转换器，因为信号的数字化是实现软件无线电的首要条件。理想软件无线电系统中的A/D/A转换器已相当靠近天线，从而可对高频信号进行数字化处理，这也是它与常用的数字通信系统的根本区别所在。,软件无线电的特点： 1. 具有完全的可编程性 通过安装不同的软件来实现不同的电路功能，包括工作模式，系统功能，扩展业务等。 2. 软件无线电基于DSP技术 系统所需要的信号处理工作有变频、滤波、调制解调，信道编译码，接口协议与信令处理，加解密、抗干扰处理，以及网络监控管理。,3. 其有很强的灵活性及可扩充性 可以任意转换信道接入方式，改变调制方式或
9、接收不同系统的信号 。 4. 具有集中性 由于软件无线电结构具有相对集中和统一的硬件平台，所以多个信道可以享有共同的射频前端与宽带A/D/A转换器，从而可以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。,由于大规模集成电路的数字无线电和软件无线电收发信机，其内部的基本功能，基本原理，工作流程和电路结构与传统的超外式无线电收发信机并无太大差异，经典高频电子线路的分析方法与设计思想仍可作为现代无线电新技术的理论基础。而且，由于目前器件水平的限制，软件无线电技术还基本只能在通信系统的基带处理部分得到较好发挥，还必须采用与传统电路结合的方式进行系统研制。要超越器件水平的限制，进行深入的理论研究，提出新的解决方
10、案和好的算法，也需要借助于一些经典的通信电路理论。数字通信中的很多电路功能也基本上用模拟电路实现。因此，本门课程中仍以基本模拟通信电子电路为主要内容进行分析。, 1.2 通信的传输媒质,信号从发送到接收中间要经过传输信道，又称传输媒质。不同的传输信道有不同的传输特性。如电缆、光缆、无线电波等。 根据传输媒质的不同，可以分为两大类： 有线通信：双线对电缆、同轴电缆、光缆 无线通信：自由空间,有线通信信道,明 线: 平行而相互绝缘的架空裸线线路 对称电缆: 由若干对双线组成电缆，每对线是 一个传输路径 双 绞 线: 两条有绝缘外皮屏蔽的铜线缠绕在一起 同轴电缆: 适用于距离在几百米、带宽小于10M
11、hz、码流率小于20Mbps的通信环 光 纤: 以光导纤维为传输媒质，其衰减小（小于1db/km）、工作频率高、信息容量大,无线通信信道,无线通信的传输媒质是自由空间。电磁波从发射天线辐射出去之后，经过自由空间到达接收天线的传播途径可分为两大类：,天波和地波,散射通信,利用对流层对电波的散射进行通讯，它适用于超短波以及微波波段的通信，通信距离很远。,一、无线电信号的频率及分段 1、信号频率及波谱 任何信号都具有一定的频率或波长。 我们这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。 电磁波辐射的波谱很宽, 如图 1 4 所示。,图 1 4 电磁波波谱,2、无线电波的频（波）段划分 无线电波也可以
12、认为是一种频率相对较低的电磁波。 对频率或波长进行分段, 分别称为频段或波段（波段划分请见下表）。 注意：不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同, 传播的能力和方式也不同, 因而其应用范围也不同。 不同频段的信号具有不同的分析与实现方法, 对于米波以上（含米波, 1 m）的信号通常用集总（中）参数的方法来分析与实现, 而对于米波以下（1 m）的信号一般应用分布参数的方法来分析与实现， 当然, 这也是相对的。,从上图可以知道，无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占据的频率范围很广。 在自由空间中, 波长与频率存在以下关系: c = f （11） 式中: c为光速, f 和分别为无线电波的频率
13、和波长 因此我们也可以认为无线电波是一种频率相对较低的电磁波。,说明：“高频”是一个相对的概念，上表中的“高频”是一个狭义的概念，指的是短波波段，其频率范围为330MHz，而广义的“高频”指的是射频，其频率范围非常宽，只要电路尺寸比工作波长小得多，可以用集中参数来分析实现，都可以认为属于“高频”（就目前技术来讲，“高频”的上限频率可达3GHz）,二、无线电信号的特性 在高频电路中, 我们要处理的无线电信号主要有三种: 基带（消息）信号、 高频载波信号和已调信号。 所谓基带信号, 就是没有进行调制之前的原始信号, 也称调制信号。 1、 时间特性 (1)、信号的描述：一个无线电信号, 可以将它表示
14、为电压或电流的时间函数, 通常用时域波形或数学表达式来描述。 (2)、时间特性的概念：无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性（如时间常数）与之相适应。 ,2、频谱特性 对于较复杂的信号（如话音信号、 图像信号等）, 用频谱分析法表示较为方便。 信号的频谱特性的概念：信号的频谱特性就是信号中各频率成分的特性。,对于周期性信号, 可以表示为许多离散的频率分量（各分量间成谐频关系）, 例如图 1 3即为图 1 2所示信号的频谱图; 对于非周期性信号, 可以用傅里叶变换的方法分解为连续谱, 信号为连续谱的积分。 频谱特性包含幅频特性和相频特性两部
15、分, 它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。 任何信号都会占据一定的带宽。 从频谱特性上看, 带宽就是信号能量主要部分（一般为90%以上）所占据的频率范围或频带宽度。 ,3、传播特性 传播特性：是指无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。 无线电信号的传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。 电磁波从发射天线辐射出去后, 不仅电波的能量会扩散, 接收机只能收到其中极小的一部分, 而且在传播过程中, 电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射, 或者在大气层中产生折射或散射等现象, 从而造成到达接收机时的强度大大衰减。 根据无线电波在传播过程所发生的现象, 电波的传
16、播方式主要有直射（视距）传播、 绕射（地波）传播、 折射和反射（天波）传播及散射传播等, 如图 1 5 所示。 决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。 ,图1 5 无线电波的主要传播方式 （a） 直射传播; （b） 地波传播; （c） 天波传播; （d） 散射传播,4. 调制特性 无线电传播一般都要采用高频（射频）的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线传播。只有当天线的尺寸到可以与信号波长相比拟时, 天线的辐射效率才会较高, 从而以较小的信号功率传播较远的距离, 接收天线也才能有效地接收信号。 所谓调制, 就是用调制信号去控制高频载波的参数, 使载波信号的某一个或几个参数（振幅、 频率或相位）按照调制信号的规律变化。 根据载波受调制参数的不同, 调制分为三种基本方式, 它们是振幅调制（调幅）、 频率调制（调频）、 相位调制（调相）, 分别用AM、 FM、 PM表示， 还可以
